微孔粗糙度檢測設(shè)計(jì)方案

1、選題依據(jù)（包括課題的來源、研究目的、必要性和重要性、意義以及國內(nèi)外研究的技術(shù)現(xiàn)狀分析）一課題來源、研究目的、必要性和重要性、意義一課題來源、研究目的、必要性和重要性、意義課題旨在利用現(xiàn)代先進(jìn)的光電子技術(shù)測量大曲率孔內(nèi)表面的粗糙度值，具體為一種基于漫散射量大曲率表面粗糙度檢測系統(tǒng)。課題來源、必要性、重要性在于：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，各種超精度加工技術(shù)的出現(xiàn)，高質(zhì)量表面加工得以實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)表面粗糙度側(cè)量提出了越來越高的要求。而且在一

2、些高尖端技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)品越來越多的呈現(xiàn)微型化的發(fā)展趨勢，其中大曲率器件在機(jī)械、儀表、航空、電子、生物醫(yī)療和紡織工業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。隨之而來的問題是如何對(duì)大曲率內(nèi)壁的表面粗糙度的檢驗(yàn)，目前的比較常用的方法測量大曲率內(nèi)壁表面的粗糙度的方法按照測量原理和實(shí)現(xiàn)方式的不同，一般可分為比較測量法、機(jī)械觸針法、電子顯微鏡法、光學(xué)法及其其它一些綜合測量方法等。然而在某些領(lǐng)域，比如在航空工業(yè)上，大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)器噴注器小孔直徑均在5mm以下，以上方

3、法多少受到限制，比如用機(jī)械觸針法，很難伸入大曲率孔中，而生產(chǎn)更微型的探針則成本過高等。這些大曲率孔內(nèi)壁質(zhì)量直接影響到整個(gè)產(chǎn)品的使用性能和壽命，特別是對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)速度快、裝配精度高、密封性要求嚴(yán)且高溫作業(yè)下的產(chǎn)品，其影響作用表現(xiàn)得更加突出。課題意義在于，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種基于漫散射量的大曲率孔內(nèi)壁粗糙度的檢測方法，實(shí)現(xiàn)大曲率孔內(nèi)壁粗糙度測量的高效，精確的測量，可有效解決大曲率孔內(nèi)壁粗糙度檢測的實(shí)際要求。解決目前FOSRIM型光纖表面粗

4、糙度伸入式傳感器所不能伸入的微小孔內(nèi)壁粗糙度檢測要求，并能有效的判斷大曲率孔內(nèi)壁各個(gè)位置粗糙度是否符合要求。二國內(nèi)外研究的技術(shù)現(xiàn)狀分析二國內(nèi)外研究的技術(shù)現(xiàn)狀分析多年來，大曲率孔內(nèi)壁粗糙度的測量的問題始終是實(shí)驗(yàn)和理論研究的重要課題之一。特別是上世紀(jì)70年代中后期，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的逐步普及和微電子技術(shù)、現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，大曲率粗糙度測量技術(shù)得到了一定的發(fā)展。粗糙度的測量方法包括接觸式和非接觸式兩類，由于，曲面和孔內(nèi)表面的粗糙

5、度測量情況比較復(fù)雜和困難，例如：內(nèi)孔，溝槽，曲面軸孔，內(nèi)齒輪等零件孔內(nèi)表面粗糙度的測量，特別是面對(duì)微小孔徑時(shí)，用接觸法很難操作且精度低，人為影響大。所以，目前，大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的檢驗(yàn)方法，更多的采用非接觸類非破壞性測量，其中更趨向于其中的光學(xué)測量法。而用非接觸式的光學(xué)測量法，則因?yàn)楸粶y目標(biāo)內(nèi)部空間較小，會(huì)限制光路的設(shè)計(jì)和元器件的空間安排，實(shí)現(xiàn)起來同樣困難重重。因此，長期以來孔內(nèi)表面粗糙度的測量一直是個(gè)難題，也是迫切需要解決的一個(gè)問題

6、。目前孔內(nèi)表面粗糙度非破壞性測量的需求越來越迫切，口益成為發(fā)展趨勢之一，國內(nèi)外在這方面的研究可謂方興未艾。如前所述，光散射法可以實(shí)現(xiàn)非接觸式、高分辨率的測量，在孔內(nèi)表面測量中很有優(yōu)勢。國內(nèi)電子科技大學(xué)的徐彧、張濤等人率先利用光散射原理開展了孔內(nèi)表面粗糙度測量的研究工作。基于光散射的孔內(nèi)表面粗糙度測量儀工作原理如圖1所示，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)圖2測量系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)圖D.Lu，F(xiàn).Yuan和Z.Chen基于Beckmann的散射模型，提出了一種光斜

7、入射被測表面的孔內(nèi)表面粗糙度測量光纖傳感器，其工作原理如圖3所示，激光器5出射的激光束由光纖禍合器4禍合進(jìn)入光纖3傳導(dǎo)，GRIN透鏡2對(duì)其準(zhǔn)直后，經(jīng)反射鏡1反射以約45入射被測表面8，散射光信號(hào)經(jīng)光纖7傳導(dǎo)，最終被光電探測器6接收。結(jié)果表明該測量方法適用于均方根粗糙度值200nm的光滑表面的測量。其所能測量的孔徑也受光纖傳qR感器探頭大小的影響，所以孔徑不能太小。但是改儀器提供了一種全新的測量方式和思維方式，基于光散射斜射入光纖傳感器粗

8、糙度測量方式。圖3光纖傳感器工作原理示意圖哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐曉梅同樣基于光漫射模型，開發(fā)了一種深入孔內(nèi)，對(duì)孔孔內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測量的系統(tǒng)：反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器孔孔內(nèi)表面檢測系統(tǒng)。其原理如圖4所示，基本測量原理是激光器發(fā)出的光禍合連接進(jìn)入光纖傳感器的輸入端，即發(fā)送光纖，而傳感器的探測端軸線垂直被測表面，這樣發(fā)送光纖出射的光即垂直入射被測表面，光線與被測表面相互作用后，返回的散射光攜帶有被測表面的輪廓信息被接收光纖接收，傳感器兩輸出端

9、將鏡向散射信息和漫散射信息分路輸出至探測器端。光電二極管將帶有被測表面信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波放大預(yù)處理，進(jìn)而通過AD轉(zhuǎn)化，模擬擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，以待進(jìn)一步處理。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)5mm以上孔孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量，有較高的精度，能夠?qū)崿F(xiàn)Ra從0.04um到0.45um較大范圍內(nèi)不同直徑孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量。雖然，在孔徑測量范圍足夠小，但是，由于傳感頭設(shè)計(jì)復(fù)雜且要求高，成本高，并